华北平原县域城镇水循环健康评价——以馆陶县城为例

栾清华，刘田伟，姚怀献，段 娜，裴梦桐，刘美钰

（1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸056038；2.馆陶县水政水资源综合管理办公室，河北邯郸057750；3.南水北调中线信息科技有限公司，北京057750）

0 引 言

随着城市社会经济的不断发展，水资源的约束作用日益凸显，良好的水循环状态成为城市可持续发展的重要支撑。县域是国民经济发展的基础单元，县城作为整个县域的发展中心，是城乡一体化的桥梁和纽带。因此，县城水循环的状态是否健康是保证整个县域绿色高质量发展的关键，对推进整个区域城乡一体化建设亦有十分重要的意义。

当前，水利学科中健康评价的研究较为普遍。基于水资源开发利用背景，许多学者在区域生态系统健康评价［1，2］，河流、水库健康评价［3，4］等领域进行了广泛而深入的研究；在二元水循环理论［5］和健康概念［6］的基础上，有些学者在水循环健康评价相关领域也进行了一定的研究。有的学者从水资源的不同属性出发构建评价指标体系，如栾清华等［7］基于城市二元水循环属性和特征，从量、质、生态角度对邯郸市主城区水循环健康开展了评价研究；还有学者［8-10］从水资源、水生态、水环境等角度对华北或西北地区的某个区域或城市水循环进行健康评价。也有重点关注二元水循环的某一个环节或者某次元水循环开展研究的，如郭颖娟［11］从用水角度构建了评价指标体系，并以石家庄为例进行了水循环健康评价；莫谍谍［12］选取21个指标对重庆两江新区的社会水循环进行了健康评价。为了更客观的刻画区域水循环的状态，有些学者［13］尝试基于城市二元水循环过程来构建评价指标体系，并在天津市开展了案例分析。

尽管有不少学者开展了区域水循环评价的研究，但在区域选择上主要关注城市化程度较高的大中型城市［14］，也有在流域尺度开展水循环健康评价并服务于城镇规划的［15］，鲜有涉及县域城镇的评价研究；就县域尺度的研究而言，多在农业用水方案健康性评价［16］、水资源承载力［17］、节水型社会构建［18］等方面，鲜有立足水循环过程这一视角来开展评价研究的。然而，县域城镇作为乡村振兴和城乡一体化的基础单元，是县域社会经济发展的增长极，其二元水循环系统的取-供-用-排-回用等多个子过程相互作用、相互反馈的特征显著［13］，且与城市化程度较高的市域水循环又有区别。如何准确诊断县域城镇水循环状态及其演变规律，对于县域水资源综合管理非常必要。

本文立足水资源自然禀赋较差的华北平原，充分考虑县域城镇水循环的结构特征和变化，从水循环全过程视角出发构建评价指标体系，系统诊断并剖析了典型县城馆陶的水循环健康状态及其演变规律，为县域水资源精细化管理及城镇的健康可持续发展提供科学依据和参考。

1 区域概况与数据来源

1.1 研究区概况

馆陶县属邯郸市，地处河北省东南部，东隔漳卫河与山东省冠县、临清市相邻，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温14 ℃。降雨及径流季节性差异较大，多年平均降雨量为552.8 mm。馆陶县大部分属于黑龙港流域、少部分为漳卫河流域，区域内水资源较为匮乏，1956-2016年系列评价结果显示，该县多年平均地表水资源量仅为124 万m3、浅层地下水可开采量为4 309 万m3，水资源总量为3 893 万m3，人均水资源占有量仅为108.13 m3，是典型的缺水型县城。近年来，在最严格水资源管理制度的背景下，馆陶县通过引黄提卫蓄水配套工程和引江水源置换工程，轮作修耕、逐次逐序关停深层地下水井，严格排污口论证及排污提标升级等一系列措施，区域地下水超采综合治理效果显著，河湖生态环境明显提升。2020年，馆陶县在河北省超采综合治理成效考核等次为好。

相比本县域其他城镇而言，县城人工取用水方式多样、频次偏高且通量偏大，作为整个县域的政治文化中心，受人类社会行为影响，县城水循环系统也是对水资源管理行为及其成效响应最快、最显著的单元，因此本文选择馆陶县城作为华北平原的典型县域城镇进行水循环健康评价的演变分析。

本文研究区为馆陶县城（图1），位于该县中部偏东，介于北纬36°52′～36°56′，东经115°25′～115°32′之间，面积30.10 km2。区域内地势整体变化平缓，人口及工业企业较为集中，但仍存在部分农业耕地，主要水系为一条人工渠道卫西干渠以及兼具生态和景观功能的湿地公园公主湖，县城高耗水工业较少，水资源需求主要以城镇生活用水为主。

图1 研究区域位置图Fig.1 The location of study area

1.2 数据来源

本文所涉及的定量指标数据主要来源于2010-2018年官方水资源公报、统计年鉴等统计资料，来源可靠。其中水量、水质相关数据来源于《馆陶县水资源公报》《邯郸市水资源公报》。水资源的使用情况以及相关经济统计数据来自《河北省建设统计年报》《邯郸市统计年鉴》，全国万元工业增加值用水量的当年数据来源于《中国水资源公报》。少数几个指标主要通过实地踏勘和征询当地专家，结合《水生态文明城市建设评价导则》《城市供水水源规划导则》和《城市污水再生利用分类》分别进行赋值。

2 指标体系与评价方法

2.1 县域城镇水循环路径分析

自然界的水通过蒸发、下渗、产汇流和水汽输送，形成河流湖泊和地下水并周而复始得以循环往复。在城镇，人类通过水利工程可将降雨和河道径流蓄积或外调，和纯净的天然水体一并作为水源，成为社会水循环过程不可或缺的首要环节。水源经制备并通过供水管网输送到各用户，形成供水子过程。各用户通过生活、工农业生产以及生态等途径耗用水，形成用水子过程。各类用水产生的污水和城市雨洪，通过人工污水或雨水排水管网/渠道并经处理后再排入河道，形成排水过程。排水过程中一部分污水或雨水经过收集和基础处理形成再生水等非常规水资源再循环进入到用水子过程，从而形成城市区域特有的回用子过程；当污水净化标准很高，通过回用子过程，可将社会水循环的供水、用水和排水子过程首尾连接，形成闭合，且不断循环。此外，区域降水经由绿地、人工湖等透水下垫面的调蓄和下渗，城镇污水及雨洪的入河，人工取-供-排-用-回用过程的渗漏，整个社会水循环过程的蒸散发，使水又进入了自然水循环，充分体现了城镇社会水循环与自然水循环的相互耦合、相互作用。县域城镇二元水循环的路径结构如图2所示。

图2 城市二元水循环路径示意Fig.2 The road of urban dualistic water-cycle

2.2 指标体系的构建

基于上述分析，从水源、供水、用水、排水、回用五个子循环过程表征城市健康水循环，各子循环过程即维度层。综合考虑了自然和社会的双重属性，依据关键绩效指标思路［19］，遵循内涵吻合、定量可比、相对独立、代表性的原则，并结合相关文献［8，20］，对各个维度下的指标进行选取，最终确定了可从路径过程反映县域城镇健康水循环能力及其循环后效的19个指标，形成评价体系（表1）。

2.3 权重的确定

采用目前应用较广的层次分析法确定评价指标的权重，该方法将一个复杂的多目标决策问题作为整体，从上至下不同梯次地进行定性和定量分析决策［21］。基于该思路，按照先维度后指标的顺序，通过1～9及其倒数标度法，将指标两两成对比较建立判断矩阵，经过一致性检验，计算得出各指标的权重，具体步骤不再赘述，各维度及其指标重要程度排序及权重最终计算结果见表1。

表1 水循环健康评价指标体系及权重Tab.1 The evaluation index system and weight of water cycle health

2.4 评价标准的划分

在参考国家相关的标准、行业规范、查阅研究文献［8，14，20，22］的基础上，结合专家咨询意见确定健康等级的阈值，将水循环健康程度分为5 个等级，分别为非常健康（I级）、健康（II级）、亚健康（III级）、病态（IV 级）、严重病态（V 级），对应的健康得分为5～1分，相应指标健康分级标准见表2。

2.5 评价方法

2.5.1 综合指数法

综合指数法是一种常规的多指标评价方法，主要适用于系统影响因素较多且各指标可量化的综合评价中，目前在河流生态环境健康评价［23］、水质污染评价［24］、水资源脆弱性评价［25］等领域得到了广泛的应用。该方法通过对比换算指标的实测现状值与评价标准，得出相应的等级分，采用加权计算得出更高层评价指标的结果。该方法的评价结果是一个具体数值，能直观反映评价对象的等级，计算过程较为简单，易于操作和使用［26］。

2.5.2 灰色关联分析法

灰色关联分析是灰色系统理论的重要分支，由邓聚龙［27］提出，其基本思想是根据序列曲线之间的几何形状相似程度来衡量关联性强弱，相似程度越高，相应序列间的关联度越大，反之越小。

计算步骤主要包括：①确定参考和比较序列。选取水循环健康指标数据为参考序列，评价标准为比较序列；②指标数据的无量纲化处理。为便于数据运算，在此选用均值法，使各指标量级相同；③计算两序列的关联系数。在计算绝对差时，由于评价标准组成的比较序列并非具体数值，而是一个区间，传统计算选择点对点的方式并不能呈现区间化，在此，参考前人研究［28］，对其进行改进，采用点到区间的绝对差计算方式；④结合层次分析法确定权重，求出灰色加权关联度并按大小排序，最大灰色关联度序列所对应等级即为参考序列所处的健康等级。

对比两种方法的原理可知，综合指数法可定量得到各指标得分，并从指标、维度和目标各层级具体反映水循环健康状态的好坏及其逐年变化情况［25］，是典型的由部分到整体、层层加权的计算过程，但层级上升过程中的评价相对不够客观。灰色关联分析则侧重系统的整体分析，从全局角度分析维度层和目标层的健康等级［29］；由于该方法不考虑内部因素的变化，并不能给出指标评价等级。鉴于此，为体现水循环过程的系统性，并考虑县域城镇水循环路径的复杂特征，本文选择这两种方法从不同的视角评价馆陶县城水循环的健康程度，并对比分析、相互验证和补充，以增加评价结果的客观性。

3 评价结果与分析

3.1 指标层评价结果

参照表2 所示的各指标分级标准，采用综合指数法结合健康等级得分对各指标逐年健康指数进行赋值，根据各指标健康得分指数，绘制馆陶县城水循环指标健康演变情况，如图3所示。

图3 基于综合指数法的指标层评价结果Fig.3 The index evaluation results by comprehensive index method

表2 水循环健康程度分级标准Tab.2 The grade standard of water-cycle health

可知，总体上除a4、b2指标外，大部分指标逐年演变趋势基本向好。其中，指标a1、b1、b3、c3、d1多年平均得分为5.0，均为非常健康，说明研究区在水源地安全保障、公共自来水普及、供水管网水质合格率、生态用水满足程度以及废污水集中处理各方面基础设施、保障措施及相关政策到位；指标c1除2010年趋近健康（4.85）外，其余年份均为非常健康，反映出馆陶县城在工业节水效益方面具有先进性。指标c2、c4、e3的状态持续改进并逐渐趋于非常健康，具体的：c2从亚健康（3.5）逐渐演变为非常健康（5.0），c4则从2014年前的病态直接跳跃提升到2015年的非常健康，但病态阶段的评分是从2.99～3.96 逐渐提升的，e3得分从2.0 的病态逐渐上升到4.0 和4.5 的亚健康状态并最终达到5.0 的健康状态，说明馆陶县城居民生活节水器具不断普及和节水意识不断提升使得节水效果显著，同时县城废污水处理基础设施的到位在硬件上保证了再生水回用率的逐年提高。指标e1、e2呈现亚健康状态（分别为3.8 和3.0）并于2018年起逐渐变好并转换为健康状态，其中e1得分4.8 逼近非常健康，说明近期研究区加强了工业用水重复利用以及再生水回用多样化方面的管理。

上述是评分较高的一些指标，得分一般的有d2，该指标多年平均得分仅为3.49 分，长期处于亚健康状态，反映了馆陶县城排水能力及其服务面积的有限性。得分较低的指标有a2、a3、d3、e4。其中，a2持续呈现严重病态状态（仅为1.0），并于2016年略有好转演变为病态（2.0），而指标a3、d3的评分一直为1.0，处于严重病态，这3个指标反映了北方县域水资源短缺、地表水污染较为严重等典型特征，因此在上述水源、备用水源的多样化以及III 类水质以上河长比等方面评分不佳；此外，指标e4也一直呈现严重病态，得分均为1.0，说明了馆陶县城对雨水回用的基础设施投入比较欠缺。

除了逐年演变向好的指标外，a4、d4是具有变化波动性的指标。其中，d4变化不大，除2013年处于亚健康且逼近健康状态之外（得分3.97），其余年份均为健康状态，且从分值上呈现从4.23 到4.64 逐渐上升的状态，反映该年份馆陶县城在绿地绿化运维方面的管理尽管欠缺，但在不断完善、不断改进中。而a4多年平均得分仅为2.94分，处于病态水平，且在整个9年中呈现病态（2.16 分）→健康（4.28 分）→病态（2.1～2.41 分）→亚健康（3.38 分）→健康（4.26 分）→病态（2.29～2.79 分）的波动变化，较不稳定。由于地下水对于北方县镇发展具有不可或缺性，其波动变化也反映了指标的敏感性及其对水循环综合健康的重要性。

由图3 可知，仅有b2指标健康状态略变差，得分由5.0 逐渐下降到4.25并于2018年转为3.94分，说明馆陶县城随着供水管网及配套设施的老化，管网漏损程度增加，供水效率逐渐降低，未来应在区域开展供水管网的提升工程。

3.2 维度层评价结果

根据表1 权重值，分别采用综合指数法和灰色关联分析计算绘制得出馆陶县城2010-2018年水循环各维度健康状态及其年际演变过程，如图4所示。

图4 维度层评价结果Fig.4 The dimension evaluation results

两种结果在维度层演变趋势基本一致，除供水维度波动中呈下降以外，其余维度均呈上升趋势，在逐年等级评价上两结果略有差异。整体上，水源维度健康状态最差且波动变化幅度较大，供水和用水维度健康状态较好，排水和回用维度次之。具体的：①水源维度2011年和2015年为两个变化峰值也是下降变化的拐点，整体看，灰色关联分析波动变幅较大，在严重病态和健康间交替且最终演变为病态，而综合指数法虽然评分呈现了由3.18 至3.77 又降回3.25 的波动变化，但等级一直处于亚健康状态；②供水维度状态呈缓慢下降趋势，但基本稳定在健康以上，且两结果等级评价较为一致；③用水维度状态持续上升，在2012-2015年，灰色关联分析评价结果为非常健康，高于综合指数法的健康状态，但后者得分由4.04 逐渐提高到4.77，该分值尽管是亚健康状态，但已经趋近非常健康，其余年份健康等级一致；④排水维度的两种结果在等级上最一致，均处于亚健康状态，但综合指数法得分呈现出由3.13 到3.28 逐年缓慢上升的变化趋势；⑤回用维度上两种变化趋势基本一致，均在2018年出现较大幅度提升，但灰色关联分析由亚健康上升为健康状态，而综合指数法呈现由病态（2.66 分）逐渐到亚健康（3.11～3.22 分）并持续上升，同样，到2018年评价等级是亚健康状态，但分值3.88趋于健康状态。

3.3 综合评价结果与分析

在各维度评价的基础上，加权计算得出2010-2018年馆陶县城水循环综合评分，两种结果如图5所示。可知，馆陶县城水循环综合状态总体呈亚健康-健康交替波动上升趋势，波动段在2011-2015年，其中2012-2014年处于评分低谷期，均为亚健康状态，2015年上升到健康等级后相对稳定，并在2017年以后基本保持健康状态。尽管两种方法总体变化趋势基本保持一致，但由于灰色关联分析法只能展示等级而使得波动呈现跳跃阶梯性变化，综合指数法则展现了水循环综合状态的渐变过程，评分由3.75 逐渐上升到4.0 左右，且具较好的趋势性。从逐年健康等级的演变过程来看，仅2011 与2016年存在差异，综合指数法的评分分别为3.87 和3.96，非常接近健康状态下限值，但鉴于评判规则，结果为亚健康；而灰色关联分析通过评价等级界限的灰化并依据序列间几何相似程度确定评分等级，其结果为健康状态。综上对比分析可知，在水循环健康状态的演变趋势上，综合指数法能较好展示；而当水循环状态在不同定级的临界值附近时，灰色关联分析法的结果较优。

图5 馆陶县城水循环综合健康年际变化Fig.5 Annual process of integrated water-cycle health in Guantao county town

由于县城水循环是受人类频繁扰动的典型单元，其健康评价结果与所处地域、经济发展及政府政策等密切相关，立足馆陶县基本情势，结合相关研究对本次评价结果进行具体分析及建议如下：

（1）馆陶县是典型的地下水超采区，还是典型的农业县［30］，限于其发展模式及气候条件，全县用水量仍以地下水农灌为主，由于整个县城并非一个独立的水文地质单元，受区域内降水丰枯影响，周边农田井灌水取用量波动较大直接影响到县城的地下水埋深变化，并梯次造成了水源维度及区域水循环综合健康的波动，反映了地下水埋深指标变化这一指标的重要性。

（2）在涉水政策上，2014年国家在馆陶县在内的华北黑龙港平原实施了地下水超采综合治理，发展节水灌溉、压采地下水［31］，实施引黄、引卫输水工程，并在2015年接入南水北调中线供水管网，缓解了区域用水紧张、水源种类单一的问题，地下水水位的大幅下降逐渐得到控制，并缓慢回升，水源维度健康状态得到改善。

（3）伴随邯郸市节水建设的开展，馆陶在内的辖属各县全社会节水意识、水平、能力不断提升，用水、回用维度的指标健康状态逐渐改善，进一步促进了馆陶县城水循环的健康发展。

（4）受城镇供水管网设施老化的影响，公共供水有效供水率开始下降，供水维度健康状态出现变差趋势，应加快城镇供水系统改造，降低管网漏损率，减少水的浪费。同时在县城发展过程中，应逐步实施排水管网提升、海绵措施等基础性工程的建设管理，提升排水和回用维度健康状态，改善馆陶县城水循环健康状态。

4 结 论

本文在解析县域城镇二元水循环结构的基础上，参考相关标准、文献，构建了水循环健康评价指标体系，分别采用综合指数法和改进的灰色关联分析法评价分析了馆陶县城2010-2018年水循环演变过程，得出结论如下。

（1）区域2010-2018年水循环综合状态处于亚健康（III 级）与健康（II 级）状态之间，且呈波动上升趋势。供水和用水维度多呈现为健康状态，综合指数法计算的多年平均得分分别为4.63 和4.42 分；排水和回用维度多呈现为健康或趋近健康状态，综合指数法评分表明，两维度分别在3.13～3.28 和2.66～3.88之间呈现逐年缓慢上升趋势；水源维度的状态呈现波动性，是影响馆陶县水循环健康的重要维度，其中地下水埋深变化量是制约水源维度乃至整体综合健康得分的重要因素。

（2）指标层中，集中式饮用水水源地安全保障达标率、城市公共自来水普及率、供水管网水质合格率、生态用水满足程度、废污水集中处理率评分最高，多年健康得分均为5.0 分，处于非常健康状态；备用水源多样性、III类水质以上河长比例、雨水回用率长期处于严重病态，平均得分仅为1.0 分，健康状态较差；地下水埋深变化量得分逐年波动变化，健康状态较不稳定。

（3）两种方法的评价结果在维度层和目标层的逐年演变趋势上，具有较好的一致性，但在健康等级结果上存在一定的差异性。综合而言，在水循环健康状态的演变趋势上，综合指数法能较好展示，而当水循环状态在不同定级的临界值附近时，灰色关联分析法的结果较优。

（4）依据评价结果，馆陶县应从水循环各子过程的关键环节着手，加快农业高效节水灌溉工程的实施和推广，进一步提高地下水压采效果；加快实施城区供水管网改造升级，降低漏损，尝试开展城市雨洪利用的试点，并逐步推广；从严开展污水排放治理，综合提升馆陶县城水循环健康状态。 □